Impact de l'haploinsuffisance du gène Sim1 sur le développement et la fonction du noyau paraventriculaire de l'hypothalamus

L’obésité provient d’un déséquilibre de l’homéostasie énergétique, c’est-à-dire une augmentation des apports caloriques et/ou une diminution des dépenses énergétiques. Plusieurs données, autant anatomiques que physiologiques, démontrent que l’hypothalamus est un régulateur critique de l’appétit et des dépenses énergétiques. En particulier, le noyau paraventriculaire (noyau PV) de l’hypothalamus intègre plusieurs signaux provenant du système nerveux central (SNC) et/ou de la périphérie, afin de contrôler l’homéostasie énergétique via des projections axonales sur les neurones pré-ganglionnaires du système autonome situé dans le troc cérébral et la moelle épinière. Plusieurs facteurs de transcription, impliqués dans le développement du noyau PV, ont été identifiés. Le facteur de transcription SIM1, qui est produit par virtuellement tous les neurones du noyau PV, est requis pour le développement du noyau PV. En effet, lors d’une étude antérieure, nous avons montré que le noyau PV ne se développe pas chez les souris homozygotes pour un allèle nul de Sim1. Ces souris meurent à la naissance, probablement à cause des anomalies du noyau PV. Par contre, les souris hétérozygotes survivent, mais développent une obésité précoce. De façon intéressante, le noyau PV des souris Sim1+/- est hypodéveloppé, contenant 24% moins de cellules. Ces données suggèrent fortement que ces anomalies du développement pourraient perturber le fonctionnement du noyau PV et contribuer au développement du phénotype d’obésité. Dans ce contexte, nous avons entrepris des travaux expérimentaux ayant pour but d’étudier l’impact de l’haploinsuffisance de Sim1 sur : 1) le développement du noyau PV et de ses projections neuronales efférentes; 2) l’homéostasie énergétique; et 3) les voies neuronales physiologiques contrôlant l’homéostasie énergétique chez les souris Sim1+/-. A cette fin, nous avons utilisé : 1) des injections stéréotaxiques combinées à des techniques d’immunohistochimie afin de déterminer l’impact de l’haploinsuffisance de Sim1 sur le développement du noyau PV et de ses projections neuronales efférentes; 2) le paradigme des apports caloriques pairés, afin de déterminer l’impact de l’haploinsuffisance de Sim1 sur l’homéostasie énergétique; et 3) une approche pharmacologique, c’est-à-dire l’administration intra- cérébroventriculaire (i.c.v.) et/ou intra-péritonéale (i.p.) de peptides anorexigènes, la mélanotane II (MTII), la leptine et la cholécystokinine (CCK), afin de déterminer l’impact de l’haploinsuffisance de Sim1 sur les voies neuronales contrôlant l’homéostasie énergétique. Dans un premier temps, nous avons constaté une diminution de 61% et de 65% de l’expression de l’ARN messager (ARNm) de l’ocytocine (Ot) et de l’arginine-vasopressine (Vp), respectivement, chez les embryons Sim1+/- de 18.5 jours (E18.5). De plus, le nombre de cellules produisant l’OT et la VP est apparu diminué de 84% et 41%, respectivement, chez les souris Sim1+/- adultes. L’analyse du marquage axonal rétrograde des efférences du noyau PV vers le tronc cérébral, en particulier ses projections sur le noyau tractus solitaire (NTS) aussi que le noyau dorsal moteur du nerf vague (X) (DMV), a permis de démontrer une diminution de 74% de ces efférences. Cependant, la composition moléculaire de ces projections neuronales reste inconnue. Nos résultats indiquent que l’haploinsuffisance de Sim1 : i) perturbe spécifiquement le développement des cellules produisant l’OT et la VP; et ii) abolit le développement d’une portion importante des projections du noyau PV sur le tronc cérébral, et notamment ses projections sur le NTS et le DMV. Ces observations soulèvent donc la possibilité que ces anomalies du développement du noyau PV contribuent au phénotype d’hyperphagie des souris Sim1+/-. En second lieu, nous avons observé que la croissance pondérale des souris Sim1+/- et des souris Sim1+/+ n’était pas significativement différente lorsque la quantité de calories présentée aux souris Sim1+/- était la même que celle consommée par les souris Sim1+/+. De plus, l’analyse qualitative et quantitative des tissus adipeux blancs et des tissus adipeux bruns n’a démontré aucune différence significative en ce qui a trait à la taille et à la masse de ces tissus chez les deux groupes. Finalement, au terme de ces expériences, les souris Sim1+/--pairées n’étaient pas différentes des souris Sim1+/+ en ce qui a trait à leur insulinémie et leur contenu en triglycérides du foie et des masses adipeuses, alors que tous ces paramètres étaient augmentés chez les souris Sim1+/- nourries ad libitum. Ces résultats laissent croire que l’hyperphagie, et non une diminution des dépenses énergétiques, est la cause principale de l’obésité des souris Sim1+/-. Par conséquent, ces résultats suggèrent que : i) l’haploinsuffisance de Sim1 est associée à une augmentation de l’apport calorique sans toutefois moduler les dépenses énergétiques; ii) l’existence d’au moins deux voies neuronales issues du noyau PV : l’une qui régule la prise alimentaire et l’autre la thermogénèse; et iii) l’haploinsuffisance de Sim1 affecte spécifiquement la voie neuronale qui régule la prise alimentaire. En dernier lieu, nous avons montré que l’injection de MTII, de leptine ainsi que de CCK induit une diminution significative de la consommation calorique des souris des deux génotypes, Sim1+/+ et Sim1+/-. De fait, la consommation calorique cumulative des souris Sim1+/- et Sim1+/+ est diminuée de 37% et de 51%, respectivement, durant les 4 heures suivant l’administration i.p. de MTII comparativement à l’administration d’une solution saline. Lors de l’administration i.c.v. de la leptine, la consommation calorique cumulative des souris Sim1+/- et Sim1+/+ est diminuée de 47% et de 32%, respectivement. Finalement, l’injection i.p. de CCK diminue la consommation calorique des souris Sim1+/- et Sim1+/+ de 52% et de 36%, respectivement. L’ensemble des résultats suggère ici que l’haploinsuffisance de Sim1 diminue l’activité de certaines voies neuronales régulant l’homéostasie énergétique, et particulièrement de celles qui contrôlent la prise alimentaire. En résumé, ces travaux ont montré que l’haploinsuffisance de Sim1 affecte plusieurs processus du développement au sein du noyau PV. Ces anomalies du développement peuvent conduire à des dysfonctions de certains processus physiologiques distincts régulés par le noyau PV, et notamment de la prise alimentaire, et contribuer ainsi au phénotype d’obésité. Les souris hétérozygotes pour le gène Sim1 représentent donc un modèle animal unique, où l’hyperphagie, et non les dépenses énergétiques, est la principale cause de l’obésité. En conséquence, ces souris pourraient représenter un modèle expérimental intéressant pour l’étude des mécanismes cellulaires et moléculaires en contrôle de la prise alimentaire.

Monoacylglycerol, alpha/beta-hydrolase domain-6, and the regulation of insulin secretion and energy metabolism

Le cycle glycérolipides/acides gras libres (GL/FFA) est une voie métabolique clé qui relie le métabolisme du glucose et des acides gras et il est composé de deux processus métaboliques appelés lipogenèse et lipolyse. Le cycle GL/FFA, en particulier la lipolyse des triglycérides, génère diverses molécules de signalisation pour réguler la sécrétion d'insuline dans les cellules bêta pancréatiques et la thermogenèse non-frissonnante dans les adipocytes. Actuellement, les lipides provenant spécifiquement de la lipolyse impliqués dans ce processus sont mal connus. L’hydrolyse des triglycérides dans les cellules β est réalisée par les actions successives de la triglycéride lipase adipocytaire pour produire le diacylglycérol, ensuite par la lipase hormono-sensible pour produire le monoacylglycérol (MAG) et enfin par la MAG lipase (MAGL) qui relâche du glycerol et des acides gras. Dans les cellules bêta, la MAGL classique est très peu exprimée et cette étude a démontré que l’hydrolyse de MAG dans les cellules β est principalement réalisée par l'α/β-Hydrolase Domain-6 (ABHD6) nouvellement identifiée. L’inhibition d’ABHD6 par son inhibiteur spécifique WWL70, conduit à une accumulation des 1-MAG à longues chaines saturées à l'intérieur des cellules, accompagnée d’une augmentation de la sécrétion d'insuline stimulée par le glucose (GSIS). Baisser les niveaux de MAG en surexprimant ABHD6 dans la lignée cellulaire bêta INS832/13 réduit la GSIS, tandis qu’une augmentation des niveaux de MAG par le « knockdown » d’ABHD6 améliore la GSIS. L'exposition aiguë des monoacylglycérols exogènes stimule la sécrétion d'insuline de manière dose-dépendante et restaure la GSIS supprimée par un inhibiteur de lipases appelé orlistat. En outre, les souris avec une inactivation du gène ABHD6 dans tous les tissus (ABHD6-KO) et celles avec une inactivation du gène ABHD6 spécifiquement dans la cellule β présentent une GSIS stimulée, et leurs îlots montrent une augmentation de la production de monoacylglycérol et de la sécrétion d'insuline en réponse au glucose. L’inhibition d’ABHD6 chez les souris diabétiques (modèle induit par de faibles doses de streptozotocine) restaure la GSIS et améliore la tolérance au glucose. De plus, les résultats montrent que les MAGs non seulement améliorent la GSIS, mais potentialisent également la sécrétion d’insuline induite par les acides gras libres ainsi que la sécrétion d’insuline induite par divers agents et hormones, sans altération de l'oxydation et l'utilisation du glucose ainsi que l'oxydation des acides gras. Nous avons démontré que le MAG se lie à la protéine d’amorçage des vésicules appelée Munc13-1 et l’active, induisant ainsi l’exocytose de l'insuline. Sur la base de ces observations, nous proposons que le 1-MAG à chaines saturées agit comme facteur de couplage métabolique pour réguler la sécrétion d'insuline et que ABHD6 est un modulateur négatif de la sécrétion d'insuline. En plus de son rôle dans les cellules bêta, ABHD6 est également fortement exprimé dans les adipocytes et son niveau est augmenté avec l'obésité. Les souris dépourvues globalement d’ABHD6 et nourris avec une diète riche en gras (HFD) montrent une faible diminution de la prise alimentaire, une diminution du gain de poids corporel et de la glycémie à jeun et une amélioration de la tolérance au glucose et de la sensibilité à l'insuline et ont une activité locomotrice accrue. En outre, les souris ABHD6-KO affichent une augmentation de la dépense énergétique et de la thermogenèse induite par le froid. En conformité avec ceci, ces souris présentent des niveaux élevés d’UCP1 dans les adipocytes blancs et bruns, indiquant le brunissement des adipocytes blancs. Le phénotype de brunissement est reproduit dans les souris soit en les traitant de manière chronique avec WWL70 (inhibiteur d’ABHD6) ou des oligonucléotides anti-sense ciblant l’ABHD6. Les tissus adipeux blanc et brun isolés de souris ABHD6-KO montrent des niveaux très élevés de 1-MAG, mais pas de 2-MAG. L'augmentation des niveaux de MAG soit par administration exogène in vitro de 1-MAG ou par inhibition ou délétion génétique d’ABHD6 provoque le brunissement des adipocytes blancs. Une autre évidence indique que les 1-MAGs sont capables de transactiver PPARα et PPARγ et que l'effet de brunissement induit par WWL70 ou le MAG exogène est aboli par les antagonistes de PPARα et PPARγ. L’administration in vivo de l’antagoniste de PPARα GW6471 à des souris ABHD6-KO inverse partiellement les effets causés par l’inactivation du gène ABHD6 sur le gain de poids corporel, et abolit l’augmentation de la thermogenèse, le brunissement du tissu adipeux blanc et l'oxydation des acides gras dans le tissu adipeux brun. L’ensemble de ces observations indique que ABHD6 régule non seulement l’homéostasie de l'insuline et du glucose, mais aussi l'homéostasie énergétique et la fonction des tissus adipeux. Ainsi, 1-MAG agit non seulement comme un facteur de couplage métabolique pour réguler la sécrétion d'insuline en activant Munc13-1 dans les cellules bêta, mais régule aussi le brunissement des adipocytes blancs et améliore la fonction de la graisse brune par l'activation de PPARα et PPARγ. Ces résultats indiquent que ABHD6 est une cible prometteuse pour le développement de thérapies contre l'obésité, le diabète de type 2 et le syndrome métabolique.

Mécanismes impliqués dans les effets du récepteur à la (pro)rénine sur le développement de l'obésité et de ses complications cardiométaboliques associées

L'obésité est une maladie associée à de nombreuses complications comme le diabète de type 2, l'hypertension et le cancer. De nos jours, les modifications au mode de vie, tels l’alimentation et le niveau d’activité physique, ne sont pas suffisants pour combattre les effets délétères de l'obésité. La pharmacothérapie est un traitement alternatif bien que les effets bénéfiques soient temporaires et ne peuvent être maintenus à long terme. Le besoin pour un traitement bénéfique à long terme sans effet secondaire n'est pas comblé. Mieux connu pour son rôle dans la régulation de la pression artérielle, le système rénine-angiotensine favorise l'entreposage du gras. Le récepteur à la prorénine et à la rénine est une composante du système rénine-angiotensine. Ainsi, le récepteur qui amplifie l'activation de celui-ci pourrait avoir un rôle clé dans le gain de masse grasse. Le but de ce projet de thèse est d'évaluer le rôle du récepteur à la prorénine et à la rénine dans le développement de l'obésité et de ses complications chez la souris et ce, en utilisant une combinaison de diète riche en gras et en hydrates de carbone et du handle region peptide, un bloqueur du récepteur à la prorénine à la rénine. Après une période de 10 semaines, nous avons constaté que l'expression et la protéine du récepteur à la prorénine et à la rénine augmentent spécifiquement dans le tissu adipeux sous-cutané et viscéral des souris obèses. Lorsqu'administré en concomitance avec une diète riche en gras et en hydrates de carbone, le handle region peptide favorise chez la souris des diminutions des gains des masses corporelles et adipeuses viscérales. Une diminution de l'expression de l'enzyme catalysant la dernière étape de la lipogenèse pourrait être responsable de la réduction de gras viscéral. Chez les mêmes animaux, l'expression de plusieurs adipokines est également diminuée dans le tissu adipeux suggérant une réduction de la résistance à l'insuline, de l'inflammation et de l'infiltration des macrophages localement dans le gras sous-cutané et viscéral. L'augmentation de l'expression d’un marqueur de l'adipogenèse dans le tissu adipeux sous-cutané pourrait suggérer un plus grand nombre d'adipocytes. Cela pourrait tamponner l'excès d'acides gras libres circulants puisque nous avons constaté une diminution de ce paramètre chez les souris ayant une diète riche en gras et en hydrates de carbone et traitées avec le peptide. Nous avons émis l'hypothèse qu'un cycle futile pourrait être activé dans le gras sous-cutané car nous avons observé une augmentation de l'expression de plusieurs enzymes impliquées dans la lipogenèse et dans la lipolyse. Le ''brunissement'' du tissu adipeux est la présence de cellules similaires aux adipocytes bruns dans le tissu adipeux qui sont caractérisés par une grande densité mitochondriale et la thermogenèse. L'augmentation de l'expression des marqueurs de ''brunissement'' et de biogenèse de mitochondrie dans le gras sous-cutané suggère que le ''brunissement'' pourrait également être activé dans ce dépôt de gras. La sensibilité à l'insuline chez ces animaux pourrait être améliorée telle que suggérée en circulation par la diminution de l'insuline, par le glucose qui change peu, par l'augmentation du ratio glucose sur insuline ainsi que par un changement potentiel dans la corrélation entre le poids corporel de la souris et les niveaux d’adiponectine circulante. Nos travaux suggèrent que le handle region peptide pourrait augmenter la capacité du tissu adipeux sous-cutané à métaboliser les lipides circulants avec l'activation potentielle d'un cycle futile et le ''brunissement''. Cela préviendrait le dépôt ectopique de lipides vers les compartiments viscéraux comme le suggère la réduction de masse adipeuse viscérale chez les souris ayant une diète riche en gras et en hydrates de carbone et traitées avec le peptide. Utilisant un modèle de souris, cette étude démontre le potentiel pharmacologique du handle region peptide comme un nouveau traitement pour prévenir l'obésité.

Calpain-10 interacts with plasma saturated fatty acid concentrations to influence insulin resistance in individuals with the metabolic syndrome

Background: Calpain-10 protein (intracellular Ca2+-dependent cysteine protease) may play a role in glucose metabolism, pancreatic β cell function, and regulation of thermogenesis. Several CAPN10 polymorphic sites have been studied for their potential use as risk markers for type 2 diabetes and the metabolic syndrome (MetS). Fatty acids are key metabolic regulators that may interact with genetic factors and influence glucose metabolism. Objective: The objective was to examine whether the genetic variability at the CAPN10 gene locus is associated with the degree of insulin resistance and plasma fatty acid concentrations in subjects with MetS. Design: The insulin sensitivity index, glucose effectiveness, insulin resistance [homeostasis model assessment of insulin resistance (HOMA-IR)], insulin secretion (disposition index, acute insulin response, and HOMA of β cell function), plasma fatty acid composition, and 5 CAPN10 single nucleotide polymorphisms (SNPs) were determined in a cross-sectional analysis of 452 subjects with MetS participating in the LIPGENE dietary intervention cohort. Results: The rs2953171 SNP interacted with plasma total saturated fatty acid (SFA) concentrations, which were significantly associated with insulin sensitivity (P < 0.031 for fasting insulin, P < 0.028 for HOMA-IR, and P < 0.012 for glucose effectiveness). The G/G genotype was associated with lower fasting insulin concentrations, lower HOMA-IR, and higher glucose effectiveness in subjects with low SFA concentrations (below the median) than in subjects with the minor A allele (G/A and A/A). In contrast, subjects with the G/G allele with the highest SFA concentrations (above the median) had higher fasting insulin and HOMA-IR values and lower glucose effectiveness than did subjects with the A allele. Conclusion: The rs2953171 polymorphism at the CAPN10 gene locus may influence insulin sensitivity by interacting with the plasma fatty acid composition in subjects with MetS. This trial was registered at clinicaltrials.gov as NCT00429195.

A haplotype at the UCP1 gene locus contributes to genetic risk for type 2 diabetes in Asian Indians (CURES-72)

BACKGROUND: The gene encoding for uncoupling protein-1 (UCP1) is considered to be a candidate gene for type 2 diabetes because of its role in thermogenesis and energy expenditure. The objective of the study was to examine whether genetic variations in the UCP1 gene are associated with type 2 diabetes and its related traits in Asian Indians. METHODS: The study subjects, 810 type 2 diabetic subjects and 990 normal glucose tolerant (NGT) subjects, were chosen from the Chennai Urban Rural Epidemiological Study (CURES), an ongoing population-based study in southern India. The polymorphisms were genotyped using the polymerase chain reaction-restriction fragment length polymorphism (PCR-RFLP) method. Linkage disequilibrium (LD) was estimated from the estimates of haplotypic frequencies. RESULTS: The three polymorphisms, namely -3826A-->G, an A-->C transition in the 5'-untranslated region (UTR) and Met229Leu, were not associated with type 2 diabetes. However, the frequency of the A-C-Met (-3826A-->G-5'UTR A-->C-Met229Leu) haplotype was significantly higher among the type 2 diabetic subjects (2.67%) compared with the NGT subjects (1.45%, P < 0.01). The odds ratio for type 2 diabetes for the individuals carrying the haplotype A-C-Met was 1.82 (95% confidence interval, 1.29-2.78, P = 0.009). CONCLUSIONS: The haplotype, A-C-Met, in the UCP1 gene is significantly associated with the increased genetic risk for developing type 2 diabetes in Asian Indians.

Fetal programming of adipose tissue function: an evolutionary perspective

Obesity is an escalating threat of pandemic proportions and has risen to such unrivaled prominence in such a short period of time that it has come to define a whole generation in many countries around the globe. The burden of obesity, however, is not equally shared among the population, with certain ethnicities being more prone to obesity than others, while some appear to be resistant to obesity altogether. The reasons behind this ethnic basis for obesity resistance and susceptibility, however, have remained largely elusive. In recent years, much evidence has shown that the level of brown adipose tissue thermogenesis, which augments energy expenditure and is negatively associated with obesity in both rodents and humans, varies greatly between ethnicities. Interestingly, the incidence of low birth weight, which is associated with an increased propensity for obesity and cardiovascular disease in later life, has also been shown to vary by ethnic background. This review serves to reconcile ethnic variations in BAT development and function with ethnic differences in birth weight outcomes to argue that the variation in obesity susceptibility between ethnic groups may have its origins in the in utero programming of BAT development and function as a result of evolutionary adaptation to cold environments.

Orexin restores aging-related brown adipose tissue dysfunction in male mice

The aging process causes an increase in percent body fat, but the mechanism remains unclear. In the present study we examined the impact of aging on brown adipose tissue (BAT) thermogenic activity as potential cause for the increase in adiposity. We show that aging is associated with interscapular BAT morphologic abnormalities and thermogenic dysfunction. In vitro experiments revealed that brown adipocyte differentiation is defective in aged mice. Interscapular brown tissue in aged mice is progressively populated by adipocytes bearing white morphologic characteristics. Aged mice fail to mobilize intracellular fuel reserves from brown adipocytes and exhibit deficiency in homeothermy. Our results suggest a role for orexin (OX) signaling in the regulation of thermogenesis during aging. Brown fat dysfunction and age-related assimilation of fat mass were accelerated in mice in which OX-producing neurons were ablated. Conversely, OX injections in old mice increased multilocular morphology, increased core body temperature, improved cold tolerance, and reduced adiposity. These results argue that BAT can be targeted for interventions to reverse age-associated increase in fat mass.

Estrogens and thyroid hormone: Non-genomic effects are coupled to transcription.

Estrogens and thyroid hormones are regulators of important diverse physiological processes such as reproduction, thermogenesis, neural development, neural differentiation and cardiovascular functions. Both are ligands for receptors in the nuclear receptor superfamily, which act as ligand-dependent transcription factors, regulating transcription. However, estrogens and thyroid hormones also rapidly (within minutes or seconds) activate kinase cascades and calcium increases, presumably initiated at the cell membrane. We discuss the relevance of both modes of hormone action, including the membrane estrogen receptor, to physiology, with particular reference to lordosis behavior. We first showed that estrogen restricted to the membrane can, in fact, lead to subsequent increases in transcription from a consensus estrogen response element-based reporter in the neuroblastoma cell line, SK-N-BE(2)C. Using a novel hormonal paradigm, we also showed that the activation of protein kinase A, protein kinase C, mitogen activated protein kinase and increases in calcium were important in the ability of the membrane-limited estrogen to potentiate transcription. We discuss the source of calcium important in transcriptional potentiation. Since estrogens and thyroid hormones have common effects on neuroprotection, cognition and mood, we also hypothesized that crosstalk could occur between the rapid actions of thyroid hormones and the genomic actions of estrogens. In neural cells, we showed that triiodothyronine acting rapidly via MAPK can increase transcription by the nuclear estrogen receptor ERa from a consensus estrogen response element, possibly by the phosphorylation of the ERa. Novel mechanisms that link signals initiated by hormones from the membrane to the nucleus are physiologically relevant and can achieve neuroendocrine integration

Hypothalamic Actions of Tumor Necrosis Factor alpha Provide the Thermogenic Core for the Wastage Syndrome in Cachexia

TNF alpha is an important mediator of catabolism in cachexia. Most of its effects have been characterized in peripheral tissues, such as skeletal muscle and fat. However, by acting directly in the hypothalamus, TNF alpha can activate thermogenesis and modulate food intake. Here we show that high concentration TNF alpha in the hypothalamus leads to increased O(2) consumption/CO(2) production, increased body temperature, and reduced caloric intake, resulting in loss of body mass. Most of the thermogenic response is produced by beta 3-adrenergic signaling to the brown adipose tissue (BAT), leading to increased BAT relative mass, reduction in BAT lipid quantity, and increased BAT mitochondria density. The expression of proteins involved in BAT thermogenesis, such as beta 3-adrenergic receptor, peroxisomal proliferator-activated receptor-gamma coactivator-1 alpha, and uncoupling protein-1, are increased. In the hypothalamus, TNF alpha produces reductions in neuropeptide Y, agouti gene-related peptide, proopiomelanocortin, and melanin-concentrating hormone, and increases CRH and TRH. The activity of the AMP-activated protein kinase signaling pathway is also decreased in the hypothalamus of TNF alpha-treated rats. Upon intracerebroventricular infliximab treatment, tumor-bearing and septic rats present a significantly increased survival. In addition, the systemic inhibition of beta 3-adrenergic signaling results in a reduced body mass loss and increased survival in septic rats. These data suggest hypothalamic TNF alpha action to be important mediator of the wastage syndrome in cachexia. (Endocrinology 151: 683-694, 2010)

PGC-1α and exercise: important partners in combating insulin resistance

Diabetes and obesity are characterised by an impairment in mitochondrial function resulting in a decrease in glucose and fatty acid oxidation, respiration and an increase in intramuscular triglycerides (IMTG's) and insulin resistance. Peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR)-ggr coactivator 1agr (PGC-1agr) is a nuclear transcriptional coactivator which regulates several important metabolic processes including, mitochondrial biogenesis, adaptive thermogenesis, respiration, insulin secretion and gluconeogenesis. In addition, PGC-1agr has been shown to increase the percentage of oxidative type I muscle fibres, with the latter responsible for the majority of insulin stimulated glucose uptake. PGC-1agr also co-activates PPAR's agr, bgr/dgr and ggr which are important transcription factors of genes regulating lipid and glucose metabolism. Exercise causes mitochondrial biogenesis, improves skeletal muscle fatty acid oxidation capacity and insulin sensitivity, therefore making it an important intervention for the treatment of insulin resistance. The expression of PGC-1agr mRNA is reduced in diabetic subjects, however, it is rapidly induced in response to interventions which signal alterations in metabolic requirements, such as exercise. Because of the important role of PGC-1agr in the control of energy metabolism and insulin sensitivity, it is seen as a candidate factor in the etiology of type 2 diabetes and a drug target for its therapeutic treatment.

Redistribution of glucose from skeletal muscle to adipose tissue during catch-up fat. A link between catch-up growth and later metabolic syndrome.

Catch-up growth, a risk factor for later obesity, type 2 diabetes, and cardiovascular diseases, is characterized by hyperinsulinemia and an accelerated rate for recovering fat mass, i.e., catch-up fat. To identify potential mechanisms in the link between hyperinsulinemia and catch-up fat during catch-up growth, we studied the in vivo action of insulin on glucose utilization in skeletal muscle and adipose tissue in a previously described rat model of weight recovery exhibiting catch-up fat caused by suppressed thermogenesis per se. To do this, we used euglycemic-hyperinsulinemic clamps associated with the labeled 2-deoxy-glucose technique. After 1 week of isocaloric refeeding, when body fat, circulating free fatty acids, or intramyocellular lipids in refed animals had not yet exceeded those of controls, insulin-stimulated glucose utilization in refed animals was lower in skeletal muscles (by 20–43%) but higher in white adipose tissues (by two- to threefold). Furthermore, fatty acid synthase activity was higher in adipose tissues from refed animals than from fed controls. These results suggest that suppressed thermogenesis for the purpose of sparing glucose for catch-up fat, via the coordinated induction of skeletal muscle insulin resistance and adipose tissue insulin hyperresponsiveness, might be a central event in the link between catch-up growth, hyperinsulinemia and risks for later metabolic syndrome.

ß1/ß2/ß3-adrenoceptor knockout mice are obese and cold-sensitive but have normal lipolytic responses to fasting

Catecholamines are viewed as major stimulants of diet- and cold-induced thermogenesis and of fasting-induced lipolysis, through the β-adrenoceptors (β1/β2/β3). To test this hypothesis, we generated β1/β2/β3-adrenoceptor triple knockout (TKO) mice and compared them to wild type animals. TKO mice exhibited normophagic obesity and cold-intolerance. Their brown fat had impaired morphology and lacked responses to cold of uncoupling protein-1 expression. In contrast, TKO mice had higher circulating levels of free fatty acids and glycerol at basal and fasted states, suggesting enhanced lipolysis. Hence, β-adrenergic signalling is essential for the resistance to obesity and cold, but not for the lipolytic response to fasting.

Thrifty metabolism that favors fat storage after caloric restriction: a role for skeletal muscle phosphatidylinositol-3-kinase activity and AMP-activated protein kinase

Energy conservation directed at accelerating body fat recovery (or catch-up fat) contributes to obesity relapse after slimming and to excess fat gain during catch-up growth after malnutrition. To investigate the mechanisms underlying such thrifty metabolism for catch-up fat, we tested whether during refeeding after caloric restriction rats exhibiting catch-up fat driven by suppressed thermogenesis have diminished skeletal muscle phosphatidylinositol-3-kinase (PI3K) activity or AMP-activated protein kinase (AMPK) signaling—two pathways required for hormone-induced thermogenesis in ex vivo muscle preparations. The results show that during isocaloric refeeding with a low-fat diet, at time points when body fat, circulating free fatty acids, and intramyocellular lipids in refed animals do not exceed those of controls, muscle insulin receptor substrate 1-associated PI3K activity (basal and in vivo insulin-stimulated) is lower than that in controls. Isocaloric refeeding with a high-fat diet, which exacerbates the suppression of thermogenesis, results in further reductions in muscle PI3K activity and in impaired AMPK phosphorylation (basal and in vivo leptin-stimulated). It is proposed that reduced skeletal muscle PI3K/AMPK signaling and suppressed thermogenesis are interdependent. Defective PI3K or AMPK signaling will reduce the rate of substrate cycling between de novo lipogenesis and lipid oxidation, leading to suppressed thermogenesis, which accelerates body fat recovery and furthermore sensitizes skeletal muscle to dietary fat-induced impairments in PI3K/AMPK signaling.—Summermatter, S., Mainieri, D., Russell, A. P., Seydoux, J., Montani, J. P., Buchala, A., Solinas, G., Dulloo, A. G. Thrifty metabolism that favors fat storage after caloric restriction: a role for skeletal muscle phosphatidylinositol-3-kinase activity and AMP-activated protein kinase.

Fenitrothion, an organophosphate, affects running endurance but not aerobic capacity in fat-tailed dunnarts (Sminthopsis crassicaudata)

We measured aerobic metabolism during cold exposure and exercise performance (run duration and oxygen consumption while running at 1 m s⁻¹) in the fat-tailed dunnart Sminthopsis crassicaudata, a dasyurid marsupial, before and after ingestion of 30 mg kg⁻¹ of fenitrothion, an organophosphate (OP) pesticide. Running endurance of OP-exposed animals was less than half that of control animals over the first 3 days after dosing and 55% of control animal endurance on day 5 post-dose. Despite these declines, peak metabolic rate at this running speed (9.3 times basal metabolic rate; BMR) was unaffected by OP exposure. Peak metabolic rate (PMR) and cumulative oxygen consumption during a 1-h exposure to conditions equivalent to −20 °C did not differ between OP-treated and control dunnarts, with PMR averaging 11 times BMR. We conclude that fenitrothion-induced exercise fatigue is not due to limitations in oxygen or substrate delivery to muscle or in their uptake per se, but more likely relates to decreased ability to sustain high-frequency neuromuscular function. The persistence of locomotor impairment following OP exposure in otherwise asymptomatic animals emphasizes the importance of using performance-based measures when characterising sublethal effects of pesticide exposure in an ecological context.

Green tea, black tea, and epigallocatechin modify body composition, improve glucose tolerance, and differentially alter metabolic gene expression in rats fed a high-fat diet

The mechanisms of how tea and epigallocatechin-3-gallate (EGCG) lower body fat are not completely understood. This study investigated long-term administration of green tea (GT), black tea (BT), or isolated EGCG (1 mg/kg per day) on body composition, glucose tolerance, and gene expression related to energy metabolism and lipid homeostasis; it was hypothesized that all treatments would improve the indicators of metabolic syndrome. Rats were fed a 15% fat diet for 6 months from 4 weeks of age and were supplied GT, BT, EGCG, or water. GT and BT reduced body fat, whereas GT and EGCG increased lean mass. At 16 weeks GT, BT, and EGCG improved glucose tolerance. In the liver, GT and BT increased the expression of genes involved in fatty acid synthesis (SREBP-1c, FAS, MCD, ACC) and oxidation (PPAR-α, CPT-1, ACO); however, EGCG had no effect. In perirenal fat, genes that mediate adipocyte differentiation were suppressed by GT (Pref-1, C/EBP-β, and PPAR-γ) and BT (C/EBP-β), while decreasing LPL, HSL, and UCP-2 expression; EGCG increased expression of UCP-2 and PPAR-γ genes. Liver triacylglycerol content was unchanged. The results suggest that GT and BT suppressed adipocyte differentiation and fatty acid uptake into adipose tissue, while increasing fat synthesis and oxidation by the liver, without inducing hepatic fat accumulation. In contrast, EGCG increased markers of thermogenesis and differentiation in adipose tissue, while having no effect on liver or muscle tissues at this dose. These results show novel and separate mechanisms by which tea and EGCG may improve glucose tolerance and support a role for these compounds in obesity prevention.